Улучшить статические и динамические свойства асинхронного регулируемого электропривода с частотным скалярным управлением возможно в замкнутых системах регулирования его координат.
В замкнутых по току системах скалярного частотного управления асинхронного электропривода с помощью положительных обратных связей по току в каналах управления напряжением и частотой можно компенсировать, соответственно, падение напряжения на активном сопротивлении обмотки статора и падение скорости (увеличение скольжения) с ростом нагрузки.
Методика настройки контура IR-компенсации
(компенсации момента)
Компенсация момента (IR-компенсация) позволяет повысить перегрузочную способность и пусковой момент асинхронного двигателя при малых частотах управления.
Передаточная функция цепи положительной обратной связи по току в канале регулирования напряжения принимается вида
,
где
–коэффициент передачи цепи обратной связи, выбирается из условия
;
–постоянная времени цепи обратной связи, подбирается при моделировании из условия
где
– эквивалентная электромагнитная постоянная времени цепей статора и ротора асинхронного двигателя, с.
Коэффициент обратной связи 
следует уменьшать по мере увеличения частоты преобразователя, т.е. значение коэффициента задается в виде функции
на интервале частоты от
до
.
Методика настройки контура компенсации скольжения
Компенсация скольжения позволяет повысить жесткость характеристик асинхронного двигателя, применяется в сочетании с корректировкой вольт-частотной характеристики 
Передаточная функция цепи положительной обратной связи по току в канале регулирования частоты принимается вида
,
где
–коэффициент передачи цепи обратной связи по току, подбирается при моделировании из условия
;
,
где
– эквивалентная электромагнитная постоянная времени цепей статора и ротора асинхронного двигателя, с.
Обратная связь по скорости применяется в сочетании с корректировкой вольт-частотной характеристики 
или сIR-компенсацией, что более целесообразно. Применение обратной связи по скорости может позволить увеличить диапазон регулирования скорости асинхронного электропривода со скалярным частотным управлением до 1:50…1:100. Однако обеспечить удовлетворительные показатели качества работы электропривода в таком широком диапазоне регулирования скорости может оказаться невыполнимой задачей.
Структурная схема контура скорости асинхронного электропривода с частотным скалярным управлением приведена на рис. 21.
Параметры звеньев структурной схемы асинхронного двигателя при управлении изменением частоты:
– модуль жесткости линеаризованной механической характеристики асинхронного двигателя;
– эквивалентная электромагнитная постоянная времени цепей статора и ротора асинхронного двигателя;
–электромеханическая постоянная времени электропривода, где 
;
– коэффициент изменения скорости идеального холостого хода асинхронного двигателя от отклонения частоты питающего напряжения.
Рис. 21. Структурная схема контура скорости асинхронного электропривода со скалярным частотным управлением
Параметры звеньев контура скорости:
– коэффициент преобразователя сигнала управления в частоту напряжения двигателя;
– коэффициент обратной связи по скорости;
– коэффициент датчика скорости на базе тахогенератора и АЦП;
, с/рад,
– коэффициент передачи импульсного датчика скорости с системой оцифровки;
– коэффициент согласования сигналов импульсного датчика скорости и задания на входе контура скорости.
В соответствии со структурной схемой передаточная функция асинхронного двигателя при управлении частотой питающего напряжения записывается в виде
что в общем случае соответствует колебательному звену.
При выполнении условия 
двигатель может быть представлен апериодическим звеном второго порядка
,
где
; 
.
Если 
принять за малую некомпенсируемую постоянную времени, то контур скорости с ПИ-регулятором можно настроить на модульный оптимум для контура 3-го порядка по типовой методике:
– передаточная функция ПИ-регулятора скорости
;
– постоянная времени регулятора
, с;
– коэффициент усиления регулятора
;
– передаточная функция фильтра на входе контура
– постоянная времени входного фильтра
.
При условии 
настройка контура скорости по типовым методикам невозможна.
studfiles.net
Скалярное управление (частотное) - метод управления электродвигателем переменного тока, который заключается в том, чтобы поддерживать постоянным отношение напряжение/частота (В/Гц) во всем рабочем диапазоне скоростей, при этом контролируется только величина и частота питающего напряжения.
Отношение В/Гц вычисляется на основе номинальных значений (напряжения и частоты) контролируемого электродвигателя переменного тока. Поддерживая постоянным значение отношения В/Гц мы можем поддерживать относительно постоянным магнитный поток в зазоре двигателя. Если отношение В/Гц увеличивается тогда электродвигатель становится перевозбужденным и наоборот если отношение уменьшается двигатель находится в недовозбужденном состоянии.
На низких оборотах необходимо компенсировать падение напряжения на сопротивлении статора, поэтому отношение В/Гц на низких оборотах устанавливают выше чем номинальное значение. Скалярный метод управления наиболее широко используется для управления асинхронными электродвигателями.
При скалярном методе управления, скорость асинхронного электродвигателяконтролируется установкой величины напряжения и частоты статора, таким образом, чтобы магнитное поле в зазоре поддерживалось на нужной величине. Для поддержания постоянного магнитного поля в зазоре, отношение В/Гц должно быть постоянным на разных скоростях. При увеличении скорости напряжение питания статора так же должно пропорционально увеличиваться. Однако синхронная частота асинхронного двигателя не равна частоте вращения вала, а скольжение асинхронного двигателя зависит от нагрузки. Таким образом система контроля со скалярным управлением без обратной связи не может точно контролировать скорость при наличии нагрузки. Для решения этой задачи в систему может быть добавлена обратная связь по скорости, а следовательно и компенсация скольжения [2].
Скалярное управление электродвигателями переменного тока - хорошая альтернатива для приложений, где нет переменной нагрузки и не требуется хорошая динамика (вентиляторы, насосы). Для работы скалярного управления не требуется датчик положения ротора, а скорость ротора может быть оценена по частоте питающего напряжения. Когда используется скалярное управление, не требуется высокопроизводительный цифровой сигнальный процессор как в случае с векторным управлением.
Недостатки скалярного управления:
При скалярном управлении электродвигателем токи статора не контролируются на прямую.
СДПМ со скалярным методом управления может легко стать неуправляемым (выйти из синхронного состояния) особенно когда момент нагрузки превышает значение предельного момента электропривода. Скалярный метод не подходит для контроля СДПМ на низких оборотах для приложений, требующих высокую динамику.
Метод скалярного управления относительно прост в реализации, но обладает несколькими существенными недостатками:
· во-первых, если не установлен датчик скорости нельзя управлять скоростью вращения вала асинхронного двигателя, так как она зависит от нагрузки (наличие датчика скорости решает эту проблему), а вслучае с синхронным двигателем при изменении нагрузки - можно совсем потерять управление;
· во-вторых, нельзя управлять моментом. Конечно, эту задачу можно решить с помощью датчика момента, но стоимость его установки очень высока, и будет скорее всего выше самого электропривода. При этом управление моментом будет очень инерционным;
· также нельзя управлять одновременно моментом и скоростью.
Скалярное управление достаточно для большинства задач в которых применяется электропривод с диапазоном регулирования частоты вращения двигателя до 1:10.
Когда требуется максимальное быстродействие, возможность регулирования в широком диапазоне скоростей и возможность управления моментом электродвигателя используется векторное управление.
Многие производственные машины и механизмы в соответствии с выполняемыми ими технологическими операциями должны работать в 4-х квандрантах плоскости механических характеристик - в двигательном и тормозном режимах в двух направлениях движения (подъемно-транспортные механизмы, гребные электрические установки и т. п.). Вследствие того, что примерно половину своего рабочего времени приводы кранов и лифтов обычно действуют в генераторных режимах (режим спуска груза и груженой кабины лифта), то при частотном управлении электроприводами таких механизмов весьма актуальной является реализация режима рекуперативного торможения с возвратом энергии в питающую сеть, что связано с использованием 4-х квандрантного преобразователя частоты.
Традиционное исполнение преобразователя частоты с неуправляемым выпрямителем на входе и ШИМ инвертором напряжения на выходе не позволяет выполнять рекуперацию энергии, и она рассеивается на резисторе РГТ в режиме генераторного торможения.
Обеспечить работу электропривода в 4 квадрантах механической характеристики и существенно повысить его КПД позволяет использование рекуперативных блоков (в литературе обозначаются также терминами "активный выпрямитель", "активный фильтр", Active Front End).
Рекуперативные блоки (рисунок3.26) выполняются на базе трехфазного мостового активного выпрямителя ВА на базе IGBT-транзисторов. Питание ВА от сети осуществляется через реактор L и резонансный фильтр РФ, предназначенный для подавления радиопомех. К выходу рекуперативного подключен силовой фильтр ФС, блок генераторного торможения и АИН.
Такая схема позволяет:
-обеспечивать работу асинхронной машины в четырех квадрантах механической характеристики;
-рекуперировать энергию в питающую сеть;
-обеспечить значение входного коэффициента мощности, близкое к единице;
-поддерживать среднее значение выпрямленного напряжения на заданном уровне при снижении питающего напряжения.
Силовые модули мостов сетевого выпрямителя и автономного инвертора идентичны. Сглаживающие реакторы L позволяют уменьшить аварийные токи и влияние преобразователя на питающую сеть.
Системой управления обеспечивается управление силовой частью в четырех определяющих режимах:
1) в двигательном режиме работы АД (1-й и 3-й квадранты механической характеристики АД) с потреблением электрической энергии из сети;
2) в генераторном режиме работы АД (2-й и 4-й квадранты механической характеристики АД) с рекуперацией механической энергии в сеть;
3) в режиме самопитания (СП), использующего механическую энергию выбегающего АД для замедления снижения его частоты вращения;
4) в режиме генераторного торможения на резистор.
Рисунок 3.26. – Функциональная схема ПЧ с рекуператором электрической энергии: РФ - резонансный фильтр, L - реактор (дроссель), ВА - выпрямитель активный, ФС - фильтр силовой, ТГТ и РГТ - транзистор и резистор генераторного торможения, АИН - автономный инвертор напряжения, СУ - система управления на ЦСП, ФИ - формирователи импульсов, УВ - устройство ввода/вывода (драйвер), ПУ - пульт управления
Вопросы для самоконтроля:
1. В чем заключается принцип скалярного управления?
2. В чем состоят преимущества и недостатки скалярного управления?
3. Поясните принцип действия преобразователя частоты.
Литература [1-5]
megalektsii.ru
По способу управления электродвигателем частотные преобразователи можно разделить на две группы: с векторным и скалярным управлением, и каждая модель имеет свои преимущества и недостатки.
По способу управления электродвигателем частотные преобразователи можно разделить на две группы: с векторным и скалярным управлением, и каждая модель имеет свои преимущества и недостатки.
Скалярный тип управления. При скалярном (частотном) управлении формируются гармонические токи фаз двигателя это означает что управление чаще всего поддерживается постоянным отношение максимального момента двигателя к моменту сопротивления на валу. То есть при изменении частоты амплитуда напряжения изменяется таким образом, что отношение максимального момента двигателя к текущему моменту нагрузки остается неизменным. Это отношение называется перегрузочная способность двигателя. При постоянстве перегрузочной способности номинальные коэффициент мощности и к.п.д. двигателя на всем диапазоне регулирования частоты вращения практически не изменяются.Важным достоинством скалярного метода является возможность одновременного управления группой электродвигателей. Скалярный способ управления позволяет осуществлять легкую регулировку, даже при использовании заводских настроек.
Векторный тип управления. Векторное управление — метод управления синхронными и асинхронными двигателями, не только формирующим гармонические токи (напряжения) фаз, но и обеспечивающим управление магнитным потоком ротора (моментом на валу двигателя). Векторное управление применяется в случае, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходимо получить расширенный диапазон регулирования частоты при номинальных моментах, например, 0…50 Гц для момента 100% или даже кратковременно 150-200% от Мном, это позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя. Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимо изменять кроме амплитуды и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление». Векторный способ управления преобразователем частоты позволяет осуществлять гораздо более качественное управление электродвигателем, нежели скалярный. Зато настройка такого преобразователя требует глубоких познаний в области устройства электропривода и электрических машин.
Метод векторного управления с обратной связью по скорости – используется для прецизионного регулирования (необходимо использовать инкрементальный энкодер) скорости, когда в процессе эксплуатации нагрузка может меняться на одной и той же частоте, т.е. нет четкой зависимости между моментом нагрузки и скоростью вращения, а также в случаях, когда необходим максимальный диапазон регулирования частоты при моментах близких к номинальному.
Векторный метод работает нормально, если введены правильно паспортные величины двигателя и успешно прошло его автотестирование. Векторный метод реализуется путем сложных расчетов в реальном времени, производимых процессором преобразователя на основе информации о выходном токе, частоте и напряжении. Процессором используется так же информация о паспортных характеристиках двигателя, которые вводит пользователь. Время реакции преобразователя на изменение выходного тока (момента нагрузки) составляет 50…200 мсек. Векторный метод позволяет минимизировать реактивный ток двигателя при уменьшении нагрузки путем адекватного снижения напряжения на двигателе. Если нагрузка на валу двигателя увеличивается, то преобразователь адекватно увеличивает напряжение на двигателе. Кроме того, для непосредственного управления моментом при малых, близких к нулевым скоростям вращения работа частотно регулируемого электропривода без обратной связи по скорости невозможна. Векторное управление с датчиком обратной связи скорости обеспечивает диапазон регулирования до 1:1000 и выше, точность регулирования по скорости – сотые доли процента, точность по моменту – единицы процентов.
invt.kz
В. В. Ситников НПО «ИСКРА», г. Пермь Существует проблема внешнего охлаждения мощных и высокоэффективных газотурбинных установок (ГТУ) при эксплуатации их в наземных объектах, в частности, в составе газоперекачивающих
3 Содержание Предисловие...5 Введение...7 I. Электромагнитный момент и электромагнитное усилие электрических машин вращательного и поступательного движения. 1. Общее выражение для момента и силы. 14 2.
РАЗВИТИЕ ЛИФТОВЫХ ПРИВОДОВ Большинство существующих канатных лифтов в России и республиках бывшего СССР имеют привод с одно- или двухскоростными асинхронными двигателями. Технические и энергетические характеристики
Общие сведения. Сфера применения Панель серии SP63 выполнена на базе современного частотно-регулируемого преобразователя переменного тока с микропроцессорным управлением. Панель предназначена для управления
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Сыктывкарский лесной институт филиал государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургская государственная
МИНИСТЕРСТВО ОБРЗОВНИЯ И НУКИ РФ ФЕДЕРЛЬНОЕ ГОСУДРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРЗОВТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНЛЬНОГО ОБРЗОВНИЯ УФИМСКИЙ ГОСУДРСТВЕННЫЙ ВИЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КОМПЛЕКТ ТТЕСТЦИОННЫХ
Часть К Технические данные и размеры Версия 1.2 Дата: 08/2007 Стандартная версия VARICON Содержание 13 Технические данные 13-3 13.1 Привода стандартного исполнения 13-3 13.2 Характеристики приводов 13-5
А.И. Каплин Эффективность применения регулирования ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ УДК 621.313 ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ВИБРАЦИЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЗМОВ
«УТВЕРЖДАЮ» Проректор по научнс (те и инновациям ТПУ о «г ЗАКЛЮЧЕНИЕ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический
ООО «НПФ «РАКУРС» / ОТДЕЛ ПРОДАЖ Выбор разрешения энкодера Для сигнала обратной связи Рекомендации стр. 2 из 8 ООО Официальный поставщик OMRON, Schneider Electric, Sick, Siemens ВСТУПЛЕНИЕ. КРАТКАЯ ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ
1 Асинхронные электрические машины Лекции профессора Полевского В.И. Устройство и принцип действия 3- фазных асинхронных двигателей Лекция 1 Асинхронные машины (АМ) в настоящее время являются самыми распространенными
Преобразователи частоты PM-G500 ProfiMaster Преобразователи частоты PM-G500 ProfiMaster В классе маломощных компактных преобразователей частоты, эта модель успешно соперничает с продукцией многих мировых
вестник Югорского государственного университета 2009 г. Выпуск 2 (1). С. 5 9 МОДЕЛИРОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С УЧЕТОМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВИБРОВОЗМУЩАЮЩИХ СИЛ А. В. Беспалов УДК 621.1 Электрическая машина
1. Пояснительная записка Целью изучения данной дисциплины является получение теоретических и практических знаний процессов электромеханического и электромагнитного преобразования энергии, конструкций и
7. АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ 7.1. Основные понятия Асинхронные машины относятся к классу электрических машин переменного тока. Мощность асинхронных машин может быть от долей ватта до нескольких тысяч киловатт.
ОДНОФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Вопросы лекции: 1 Общие сведения о однофазном асинхронном двигателе 2 Принцип подключения асинхронного двигателя в однофазную сеть 3 Схемы подключения трехфазного асинхронного
Использование метода чувствительности функции передачи для анализа модели ГЭУ 29 УДК 629.2.066 В. П. КАЛЯВИН Ч. В. НГУЕН Х. Т. ТА ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФУНКЦИИ ПЕРЕДАЧИ ДЛЯ АНАЛИЗА ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ
Тема 4.1. Переменный ток. Вопросы темы. 1. Определение, получение и характеристики переменного тока.. Действующие значения тока и напряжения. 3. Изображение переменного тока методом векторных диаграмм.
docplayer.ru
Под скалярным управлением понимают все невекторные системы управления электроприводом. Они включают простые системы управления асинхронным двигателем при питании от источника напряжения регулируемой частоты , а также более сложные системы частотно- токового управления .
Скаляр переменного напряжения представляется только величиной , полученной с помощью непосредственного измерения , расчета или преобразования мгновенных значений . Следовательно , общей чертой всех скалярных систем управления является модуль регулируемой величины .Эта скалярная величина используется как в разомкнутых , так и в замкнутых системах частотного управления асинхронными двигателями .
Скалярное частотное управление берет свое начало с 1925 года , когда М.П.Костенко предложил свой закон частотного управления
(8.99)
для идеализированного АД, в котором:
1) активное сопротивление R1 обмотки статора равно нулю ,
2) отсутствуют потери в стали ,
3) магнитная система ненасыщена ,
4) имеется независимое охлаждение .
Для идеализированного АД этот закон управления обеспечивает постоянство перегрузочной способности :
(8.100)
и экономичное регулирование электрических машин,
где 
критический момент АД при текущей 
и номинальной 
частотах ,
статический момент при текущей угловой скорости 
двигателя и при номинальной 
скорости .
При этом
(8.101)
где s – скольжение ,
- число пар полюсов обмотки статора АД .
При использовании относительных безразмерных единиц :
(8.102)
закон М.П.Костенко записывается в виде :
(8.103)
Как показал А.А.Булгаков , закон частотного управления М.П.Костенко относится не только к частотному управлению , а вообще к любому управлению электродвигателем . В частности , при параметрическом управлении , когда 
(8.104)
Если учесть , что в идеализированном двигателе 
= 0 , то
(8.105)
Следовательно , напряжение , подводимое к АД , надо изменять с изменением нагрузки .Этот принцип управления широко используется в современных асинхронных электроприводах для экономии электроэнергии , когда в цепь статора АД включаются полупроводниковые преобразователи напряжения , которые изменяют свое выходное напряжение (первую гармонику) пропорционально корню квадратному из относительного момента (тока) двигателя .
Представим статический момент в общем виде :
(8.106)
где n = -1, 0 ,1 ,2 .
Принимая
получим
(8.107)
Представляя пропорцию (8.100) в виде
(8.108)
находим
(8.109)
При R1=0 формула Клосса имеет вид
(8.110)
где s и sк – текущее и критическое скольжение АД при данной частоте f1 .
Критическое скольжение при R1 = 0 :
(8.111)
где 
(8.112)
Xк.ном – индуктивное сопротивление контура короткого замыкания АД при номинальной частоте ,
R/2 – активное сопротивление фазы ротора , приведенное к статору .
При подстановке (8.111) в (8.110) , получаем :
(8.113)
Поскольку
(8.114)
то
(8.115)
(8.116)
где sа- абсолютное скольжение .
Представив электромагнитный момент М и угловую скорость w ротора в относительных безразмерных единицах
(8.117)
получим из (8.115) и (8.116) параметрическое уравнение семейства механических характеристик идеализированного АД , управляемого по закону М.П.Костенко :
(8.118)
где в качестве параметров выступают :
1) абсолютное скольжение sа ,
2) относительная частота a ,
3) характер статического момента , определяемый степенью n ( n = -1, 0, 1, 2 ).
Из (8.118) следует , что при постоянном статическом моменте (n=0) , частотное управление АД происходит при постоянном критическом моменте (mк = lm ) и механические характеристики представляют собой семейство конгруэнтных кривых ( Рис.8.11) .
Если частотное управление осуществляется при квадратичном статическом моменте (n=2) , то критический момент пропорционален квадрату частоты (mк = lma2 ) и механические характеристики имеют вид , показанный на Рис.8.12 . При управлении АД с поддержанием постоянства мощности ( n = -1 ) , критический момент изменяется обратно пропорционально частоте (mк = lma-1 ).Обычно такое регулирование скорости применяется при a>1 (Рис.8.13) .
Основное отличие реального АД от идеализированного состоит в том , что в реальном двигателе R1> 0. А это приводит к изменению свойств и характеристик реального АД по сравнению с идеализированным . Чтобы выяснить влияние R1 на свойства и характеристики реального АД , рассмотрим эквивалентные Т- образную (см..Рис.3.53 ) и уточненную Г- образную (см.Рис.3.54) схемы одной фазы АД при переменной частоте , где все индуктивные сопротивления пропорциональны относительной частоте a . Т- образная эквивалентная схема одной фазы АД при переменной частоте показана на Рис.8.14. При этом активное Rв (sа) и реактивное Xв (sа) « внутренние » сопротивления АД , являющиеся функциями абсолютного скольжения sа (см . формулы 3.252 ) , пропорциональны относительной частоте a :
(8.119)
где 
(8.120)
(8.121)
X1.ном , X/2.ном ,Xm.ном - индуктивные сопротивления эквивалентной Т-образной схемы АД при номинальной частоте , sа – абсолютное скольжение .
Эквивалентное сопротивление цепи АД при данных абсолютном скольжении sа и относительной частоте a (Рис.8.15):
(8.122)
где 
(8.123)
(8.124)
В соответствии с уточненной Г- образной схемой АД при переменной частоте (см. Рис.3.54 ) и формулой (3.235) запишем выражение критического момента :
(8.125)
и критического скольжения :
(8.126)
трехфазного асинхронного двигателя,
где Ua - фазное напряжение АД , определяемое законом частотного управления , R/1 ,R//2 ,X/к.ном = X/1.ном + X//2.ном – параметры уточненной Г- образной схемы АД , определяемые по (3.224) , (3.225) , (3.227) при номинальной частоте f1.ном .
Если принять, что при любых частотах a критический момент АД равен критическому моменту при номинальной частоте, т.е.
Мк,a = Мк,ном , (8.127)
то можно найти закон частотного управления :
(8.128)
Однако при реализации этого закона частотного управления следует принимать во внимание величину тока статора
(8.129)
и магнитного потока взаимоиндукции
(8.130)
где
(8.131)
(8.132)
(8.133)
(8.134)
Анализ (8.129) –(8.134) с учетом Рис.8.14 и Рис.8.15 показывает , что в широком диапазоне изменения частот (amin £ a £ 1) и нагрузок ( 0< sа £ sном ), выполнение закона (8.128) частотного управления АД (Рис.8.16) требует завышения номинального тока и магнитного потока (Рис.8.17) , что недопустимо как по условиям нагрева двигателя , так и по условиям насыщения магнитной системы .
Использование пропорционального закона g = a частотного управления для реального АД приводит к тому , что критический момент
(8.135)
двигателя уменьшается с уменьшением частоты (Рис.8.18) .
Можно видеть также , что жесткость линейной части механической характеристики АД
(8.136)
с уменьшением частоты a снижается . Это можно сказать также и относительно магнитного потока взаимоиндукции
(8.137)
Рекомендуемые довольно часто в простейших преобразователях частоты методы корректировки начального напряжения при пропорциональном законе частотного управления АД для нагрузок с постоянным статическим моментом не решают проблему .Если скомпенсировать падение напряжения I1R1 для I1=I1ном при минимальной частоте , то при сбросе нагрузки (I1=I0) к обмоткам АД будет приложено повышенное напряжение , которое может вызвать перенасыщение магнитной системы и недопустимое увеличение тока ( или его ограничение ) . Если компенсацию сделать для минимального тока , то при увеличении нагрузки магнитный поток уменьшается и , соответственно , уменьшится критический момент .Следовательно , законы частотного управления в разомкнутых системах , когда напряжение изменяется только в функции частоты , не обеспечивают постоянство перегрузочной способности реального АД в широком диапазоне изменения моментов и скоростей . Они применяются при ограниченном диапазоне регулирования скорости , порядка D £ 2 , а при больших диапазонах – для нагрузок , зависящих от скорости , например , типа турбомеханизмов .
Функциональная схема разомкнутой системы частотного управления АД показана на Рис.8.19. Обратная связь по напряжению служит здесь только для поддержания соотношения между управляющими величинами , заданными системой управления : g = F(a) . Она исключает влияние нелинейности регулятора напряжения РН и влияние потерь в силовом блоке ПЧ , но не затрагивает сущности регулирования , которое осуществляется независимо от нагрузки .
Недостатки разомкнутых систем частотного управления устраняются в замкнутых системах , когда напряжение на двигателе изменяется не только в функции частоты , но и тока (момента ) нагрузки . При этом магнитный поток и перегрузочная способность двигателя поддерживаются на заданном уровне
25 СКАЛЯРНОЕ ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АД ПО ЗАКОНУ Y1= const.
На основании 
и 
можно записать пропорцию :
(8.144)
из которой определяется действующее значение ЭДС статора :
(8.145)
при частотном управлении по закону Y1= const.
Преобразуем эквивалентную Т-образную схему (Рис.8.14): в Г-образную
Для получения характеристик и выяснения свойств АД при частотном управлении по указанному закону вынесем намагничивающий контур эквивалентной Т-образной схемы Рис.8.14 на зажимы a-b (Рис.8.21) , изменив при этом параметры схемы в соответствии с теорией электрических машин . Обозначим :
(8.146)
где 
(8.147)
Ks – коэффициент магнитной связи статора .Из Рис.8.21 и принятых обозначений (8.146) следует , что приведенный ток ротора :
(8.148)
С учетом (8.145) получаем :
(8.149)
где действующее значение номинальной ЭДС статора Es.ном :
(8.150)
Активное сопротивление 
на Рис.8.21 является эквивалентом для неподвижного АД , где выделяется электромагнитная мощность. Поэтому электромагнитный момент трехфазного АД можно записать в виде
(8.151)
Читайте также:
lektsia.com
Возврат к списку
ies-drives.ru
В предыдущей статье «Векторное управление электродвигателем «на пальцах» рассматривалась векторная система управления для синхронных электродвигателей. Статья получилась большой, поэтому вопрос про асинхронные электродвигатели (induction motors) был вынесен в отдельную публикацию. Данная статья является продолжением предыдущей и опирается на приведенные там объяснения принципов работы электродвигателей. Она расскажет об особенностях работы асинхронного двигателя применительно к векторному управлению, а также покажет отличия в структуре векторной системы управления между синхронной и асинхронной машиной. Как работает асинхронный электродвигатель? Наиболее популярное объяснение говорит что-то типа «статор создает вращающееся магнитное поле, которое наводит ЭДС в роторе, из-за чего там начинают течь токи, в результате ротор увлекается полем статора и начинает вращаться». Лично я от такого объяснения всю физику процесса понимать не начинаю, поэтому давайте объясню по-другому, «на пальцах». Все же видели видео, как магнит взаимодействует с медным цилиндром? Особенно обратите внимание на диапазон времени с 0:49 до 1:03 – это уже самый настоящий асинхронный двигатель:Эффект происходит из-за появления в цилиндре вихревых токов. Согласно закону электромагнитной индукции, открытого Майклом Фарадеем, при изменении магнитного потока замкнутого контура в нем возникает ЭДС (по-простому считайте, что напряжение). Эта ЭДС, применительно к медному цилиндру, тут же вызывает появление в цилиндре тока. При этом этот ток тоже создает свой, ответный магнитный поток, направленный ровно в противоположную сторону от изменения потока магнита, который мы подносим:
Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.
Это можно понимать так, что замкнутый контур сопротивляется изменению магнитного потока внутри себя. Если вы резко поднесёте магнит к медному цилиндру, т.е. сделаете резкое изменение магнитного потока, то в цилиндре потекут такие ответные токи, что магнитное поле внутри цилиндра в первый момент времени будет равно нулю: магнитное поле поднесенного магнита будет полностью скомпенсировано магнитным полем токов цилиндра (с допущениями, конечно). Если магнит поднести и держать, то токи в цилиндре из-за наличия активного сопротивления меди постепенно спадут, а поле цилиндра, создаваемое его токами, пропадет: магнитный поток постоянного магнита «прорвется» внутрь цилиндра, как будто никакого цилиндра и нет. Но стоит попытаться убрать магнит, как цилиндр отреагирует снова – теперь он будет пытаться сам «воссоздать» внутри себя пропадающий магнитный поток, т.е. будет опять сопротивляться изменению магнитного потока, в данном случае его исчезновению. Но что значит «воссоздать магнитный поток»? Это значит, что на какое-то время медный цилиндр можно считать условно «постоянным магнитом» – в нем циркулирует вихревой ток, создающий магнитное поле (на этом же принципе «висят» сверхпроводники в магнитном поле, но это совсем другая история).
Давайте теперь обратимся к конструкции асинхронного двигателя. Ротор асинхронного двигателя условно можно представлять себе также в виде медного цилиндра. Но в реальных конструкциях это некая решётка в виде «беличьей клетки» (рисунок 1) из меди или алюминия, совмещенная с магнитопроводом (шихтованное железо).
Рисунок 1. Ротор асинхронного двигателя типа «беличья клетка» с током в одной из «рамок» беличьей клетки, реагирующей на нарастание внешнего магнитного поля.На рисунке схематично показано протекание тока в одной из «рамок», т.е. в некоторых прутьях беличьей клетки, если сверху поднести магнит (создать ток в статоре). На самом деле ток в этом случае протекает во всех прутьях, кроме, условно, верхнего и нижнего, для которых изменения потока нет (но они бы среагировали на горизонтально поднесенный магнит).
Помните ещё из начала прошлой статьи картинку со схематическим изображением двухфазной синхронной машины, где ротором был магнит? Давайте теперь сделаем из неё асинхронный двигатель: вместо магнита поставим две перпендикулярные короткозамкнутые катушки, символизирующие медный цилиндр ротора (рисунок 2).
Рисунок 2. Схематическое изображение двухфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.Замена цилиндра на две катушки для пояснения принципа работы (или моделирования) корректна, точно также как корректна замена трехфазной обмотки на двухфазную. Только в этом случае мы заменяем… «бесконечнофазную обмотку» цилиндра (бесконечное число рамок) на две катушки с эквивалентной индуктивностью и сопротивлением. Ведь двумя катушками можно создать точно такой же вектор тока и магнитного потока, как и цилиндром.
А теперь давайте сделаем на короткое время из асинхронной машины синхронную. Подадим в катушку оси β постоянный ток и подождем секунды две-три, пока в роторе перестанут течь ответные токи: «поднесем внешний магнит». То есть дождемся спадания токов в роторе, чтобы магнитное поле статора «пронзило ротор» и никто ему не мешал. Что теперь будет, если выключить ток в статоре? Правильно, на те же две-три секунды, пока ток ротора этому противится, мы из ротора получим «обычный магнит» (рисунок 3).
Рисунок 3. Асинхронный двигатель, когда только что выключили постоянный ток по фазе β – течет ток в роторе ird.Что же мы ждем? Быстрее, пока магнит не пропал, рисуем вдоль него привычную ось d (как в синхронной машине) и перпендикулярную ей ось q, привязанные к ротору. Включаем структуру векторного управления синхронной машиной, подаем ток по оси q, создавая момент, поехали!
Так можно даже действительно сделать несколько оборотов, пока наш сахарный магнит не растаял, а ось d не ушла в небытие. Что же делать? Давайте не будем выключать ток по оси d, подпитывая наш магнит! И опять же сохраним структуру векторного управления синхронной машиной, просто подав задание по оси d (раньше там был ноль). Итак, смотрим на рисунок 4: оси d, q по датчику положения «приделаны» к ротору, двигатель стоит, подан ток по оси d в статоре, что в данном случае для стоячей машины совпадает с осью β. Тока по оси q пока нет: ждем, пока ротор «намагнитится». И вот подаем ток isq (s – статор)! Поехали!
Рисунок 4. Подадим ток в ось d, намагнитив машину, подготовив всё для подачи тока в ось q статора.Далеко ли мы уедем таким методом барона Мюнхгаузена? К сожалению, нет. Смотрите, что произошло (рисунок 5):
Рисунок 5. А магнит-то сполз!Двигатель начал крутиться, но через некоторое время после того, как мы подали ток в ось q, образовав суммарный ток is и «прибив» этот вектор к положению ротора, магнит в роторе «съехал»! И встал ровно вдоль вектора is. Ротор же не понимает, где мы нарисовали ему оси d, q… Ему все равно, крутился он или нет. Важно, что его внутренний «наведенный магнит» в конечном счете хочет стать сонаправленным с магнитным потоком статора, «подчиниться» внешнему потоку. Из-за съехавшего магнита двигатель перестанет крутиться: мало того, что между магнитом ротора и током iq нет желаемых 90 градусов, так еще и ток оси d теперь его тянет в противоположную сторону, компенсируя момент, создаваемый током iq. Метод барона Мюнхгаузена не удался.
Что же делать с ускользающим магнитом ротора? А давайте сделаем структуру векторного управления асинхронного двигателя не в осях d,q, приделанных к ротору, а в других осях, приделанных именно к текущему положению «магнита ротора» – назовем их оси x,y, чтобы отличать от d,q. По «научному» – это оси, ориентированные по потокосцеплению ротора. Но как же узнать, где конкретно сейчас это потокосцепление ротора, т.е. куда повернут магнит в роторе? Его положение зависит… во-первых, от положения самого ротора (датчик положения у нас есть, хорошо), во-вторых, от токов статора (создающих поток статора, по которому и собирается в конечном счете повернуться магнит ротора), а в-третьих от параметров роторной цепи – индуктивности и сопротивления «медного цилиндра» (он же беличья клетка, он же роторная обмотка, он же цепь ротора). Поэтому… зная всё это, положение «магнита» ротора можно просто вычислять по нескольким дифференциальным уравнениям. Делает это так называемый наблюдатель потокосцепления ротора, выделенный цветом на итоговой структурной схеме векторного управления асинхронным двигателем (рисунок 6).
Рисунок 6. Векторная датчиковая структура управления асинхронным двигателемВ наблюдатель заводятся показания с датчика положения ротора, а также текущие токи статора в осях α, β. На выходе наблюдателя – положение «магнита» ротора, а именно угол наблюдаемого потокосцепления ротора 
. В остальном структура полностью аналогична таковой для синхронной машины, только оси d,q переименованы в x,y, а на ось x подано задание тока, который будет поддерживать наш «магнит» в роторе. Также на многих обозначениях добавлен индекс “s”, чтобы показать, что данная величина имеет отношение к статору, а не к ротору. Также надо отметить, что в западной литературе не используют оси x,y: у них ось d всегда направлена по полю ротора, что для асинхронного двигателя, что для синхронного. Наши ученые еще в советское время разделили оси d,q и x,y, чтобы исключить путаницу: d,q прикреплены к ротору, а x,y к полю ротора.
Что же получается? Магнит ротора всё время скользит, сползает от текущего положения на роторе в сторону тока оси y. Чем больше этот ток, тем сильнее скольжение. Наблюдатель в реальном времени вычисляет положение этого магнита и «подкручивает» оси x,y всё время вперед по отношению к осям d,q (положению ротора). Ось x всегда соответствует текущему положению потокосцепления в роторе – положению «магнита». Т.е. оси x,y бегут всегда (в двигательном режиме) немного быстрее вращения ротора, компенсируя скольжение в нем. Токи в роторе, если их измерить или промоделировать, получаются синусоидальными. Только изменяются они не с частотой статорных токов, а с частотой этого скольжения, т.е. очень медленно. Если в статоре промышленного асинхронника 50Гц, то при работе под нагрузкой частота тока в роторе – единицы герц. Вот, собственно, и весь секрет векторного управления для асинхронного двигателя.
Чем векторное управление асинхронным двигателем лучше, чем скалярное? Скалярное управление это такое, когда к двигателю прикладывается напряжение заданной частоты и амплитуды – например, 380В 50Гц. И от нагрузки на роторе оно не зависит – никаких регуляторов токов, векторов… Просто задается частота напряжения и его амплитуда – скалярные величины, а токи и потоки в двигателе пусть сами себе удобное место находят, как хотят. В установившемся режиме работы двигателя векторное управление неотличимо от скалярного – векторное точно также будет прикладывать при номинальной нагрузке те же, скажем, 380В, 50Гц. Но в переходных режимах… если нужно быстро запустить двигатель с заданным моментом, если нужно отрабатывать диаграмму движения, если есть импульсная нагрузка, если нужно сделать генераторный режим с определенным уровнем мощности – всё это скалярное управление или не может сделать, или делает это с отвратительными, медленными переходными процессами, которые могут к тому же «выбить защиту» преобразователя частоты по превышению тока или напряжения звена постоянного тока (двигатель колеблется и может запрыгивать в генераторный режим, к которому преобразователь частоты не всегда приспособлен).
В векторной же структуре «всё под контролем». Момент вы задаете сами, поток тоже. Можно ограничить их на нужном уровне, чтобы не превысить уставок защиты. Можно контролируемо форсировать токи, если кратковременно нужно сделать в несколько раз больший момент. Можно регулировать не только момент двигателя, но и поток (ток оси x): если нагрузка на двигателе мала, то нет никакого смысла держать полный поток в роторе (делать магнит «номинального режима») – можно ослабить его, уменьшив потери. Можно стабилизировать скорость регулятором скорости с высокой точностью и быстродействием. Можно использовать асинхронный привод в качестве тягового (в транспорте), задавая требуемый момент тяги. В общем, для сложных применений с динамичной работой двигателя векторное управление асинхронным двигателем незаменимо.
Также есть отличительные особенности векторного управления асинхронного двигателя от синхронного. Первая – это датчик положения. Если для синхронного привода нам нужно знать абсолютное положение ротора, чтобы понять, где магнит, то в асинхронном приводе этого не требуется. Ротор не имеет какой-то выраженной полюсной структуры, «магнит» в нем постоянно скользит, а если посмотреть в формулы наблюдателя потокосцепления ротора, то там не требуется знания положения: в формулы входит только частота вращения ротора (на самом деле есть разные формулы, но в общем случае так). Поэтому на датчике можно сэкономить: достаточно обычного инкрементального энкодера для отслеживания частоты вращения (или даже тахогенератора), абсолютные датчики положения не требуются. Вторая особенность – управление потоком в асинхронном электродвигателе. В синхронной машине с постоянными магнитами поток не регулируется, что ограничивает максимальную частоту вращения двигателя: перестает хватать напряжения на инверторе. В асинхронном двигателе, когда это случается… просто уменьшаете задание по оси x и едете дальше! Максимальная частота не ограничена! Да, от этого будет снижаться момент двигателя, но, главное, ехать «вверх» можно, в отличие от синхронной машины (по-правде там тоже можно, но недалеко, не для всех двигателей и с кучей проблем).
Точно также существуют бездатчиковые алгоритмы векторного управления асинхронным двигателем, которые оценивают угол потокосцепления ротора не используя сигнал датчика положения (или скорости) вала ротора. Точно также, как и для синхронных машин, в работе таких систем есть проблемы на низкой частоте вращения ротора, где ЭДС двигателя мала.
Также следует сказать пару слов о роторе. Если для промышленных асинхронных двигателей его удешевляют, используя алюминиевую беличью клетку, то в тяге, где массогабаритные показатели важнее, наоборот, могут использовать медный цилиндр. Так, во всеми любимом электромобиле Tesla стоит именно асинхронный электродвигатель с медным ротором (рисунок 7)
Рисунок 7. Ротор асинхронного электродвигателя Tesla Model S в стальной обшивке (фото из разных источников за разные годы)Вот, собственно, и всё, что я хотел сказать про асинхронный двигатель. В данной обзорной статье не рассмотрены многие тонкости, такие как регулятор потока ротора, возможное построение векторной структуры в других осях координат, математика наблюдателя потокосцепления ротора и многое другое. Как и в конце прошлой статьи, за дальнейшими подробностями отсылаю читателя к современным книгам по приводу, например к «Анучин А. С. Системы управления электроприводов. МЭИ, 2015».
На каком микроконтроллере можно сделать полноценное векторное управление, читайте, например, в статье «Новый отечественный motor-control микроконтроллер К1921ВК01Т ОАО «НИИЭТ», а как это отлаживать в статье «Способы отладки ПО микроконтроллеров в электроприводе». Также наша фирма ООО «НПФ Вектор» предлагает разработку на заказ систем управления электродвигателями и другим электрооборудованием, примеры выполненных проектов можно посмотреть на нашем сайте.
P.S. У специалистов прошу прощения за не совсем корректное обращение с некоторыми терминами, в частности с терминами «поток», «потокосцепление», «магнитное поле» и другими – простота требует жертв…
sohabr.net
